U型腔道式水稻精量穴播排種器設計與試驗

張 順 李 勇 王浩宇 廖 娟 李兆東 朱德泉

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農機裝備工程實驗室， 合肥 230036)

0 引言

精量穴直播技術能按水稻品種所需的行距、穴距及穴粒數精準成穴地將稻種播于田間，有利于后期稻株形成高光效的田間群體結構，且便于田間管理，是實現水稻直播種植穩產高產的主要途徑之一[1-2]。

機械化精量穴直播技術的關鍵部件是排種器。按其工作原理排種器主要分為機械式和氣力式排種器。氣力式排種器利用無剛性氣體的流動特性對種子進行定量吸附或壓附，具有對種子外形適應性強、傷種輕等優勢[3-7]，但存在結構復雜、氣室密封性及氣源穩定性要求高、吸孔易堵塞等問題。機械式排種器結構簡單、檢視維修方便，能適應振動、多塵甚至高濕的田間播種環境等，是常規播種速度下排種器的主要發展方向之一。研究者相繼研究了多種結構形式的排種器，并應用于水稻直播中，如螺旋輸送式、拋擲成穴式、偏心頂桿式等水稻直播排種方法[8-10]。夏俊芳等[11]提出一種振動閥門配合槽輪式排種器的排種方法，可有效防止排種時的種群架空和堵塞現象，滿足水稻芽種條播作業要求；田立權等[12]設計了一種具有鉤勺形輪廓的螺旋槽排種輪，明確了螺旋槽的適宜長度與升角；羅錫文等[13]通過試驗研究了不同型孔樣式的排種輪，并確定瓢形型孔排種輪的排種性能最佳。為適應雜交稻、常規稻等品種不同穴播量的要求，文獻[14-15]在瓢形型孔排種輪的基礎上，提出了組合型孔輪式排種器，擴大了瓢形型孔排種輪的適用范圍。為減小稻種在排種過程中的損傷，羅錫文等[16]提出了一種彈性隨動護種帶，王沖等[17]設計了同步柔性膠帶護種器。

3D打印快速成型技術的成熟及其在農業裝備上的應用，為排種機構的創新研究提供了新思路，使符合種子形狀特征及其穴播特性的異形型孔研制成為可能。為適應常規稻每穴播種3～8粒的精量穴直播要求[12,18]，本文以簡化排種機構為目標，借鑒上述研究成果，提出一種充種口與投種口分開但相通的腔道式排種盤，利用腔道的旋轉運動規律輔助排種器攜種，縮短稻種與護種裝置的接觸弧長，以降低或避免稻種損傷。為評價該排種器的排種性能，并明確其關鍵結構參數，以排種合格率、漏播率、破損率等為性能評價指標，進行排種器臺架試驗與田間試驗，以期為腔道式排種器的結構參數優化及整機設計提供參考。

1 結構與工作原理

U型腔道式水稻精量穴播排種器主要由右殼體、排種盤、排種軸、左殼體、護種板、支座等組成，結構如圖1所示。

圖1 排種器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of seed-metering device1.限種板 2.透明有機玻璃板 3.右殼體 4.排種盤 5.排種軸 6.左殼體 7.護種板 8.支座 9.鏈輪 10.卸種板

由于具有U型腔道結構特征的排種盤和帶有進種管的右殼體結構復雜，機加工困難，因此采用3D打印方法制成，材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile-butadine-styrene, ABS塑料)，左殼體采用鋁合金機加工制成。

排種器工作過程分為充種、攜種和投種3個主要階段，如圖2所示。在進行排種作業前，將限種板調至合適高度，稻種由播種機上的種箱經進種管流入右殼體腔室中。排種盤轉動后，充種區的稻種在自身重力和種群側壓力的作用下通過排種盤側面上的充種口充入型孔中，經過充種區的型孔從種群中囊取足量稻種；當型孔隨排種盤運動至攜種區時，堆積在型孔充種口處而未囊入型孔內的過量稻種，在自身重力、離心力及型孔內稻種對其推擠力的作用下回落到右殼體腔室中，型孔內剩余稻種在排種盤的轉動下順勢流入U型腔道內，并在腔道內匯集；隨著排種盤的繼續轉動，U型腔道中匯集的稻種進入具有護種板的攜種區，護種板與排種盤圓弧側面緊密貼合，避免腔道投種口處匯集的稻種在攜種區滑出；當腔道投種口運動至投種區時，由于失去護種板的圍護，稻種在自身重力的作用下從腔道內投出并落入由播種機開溝器開出的種溝內，完成穴播排種作業。

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Working principle of seed-metering device1.排種盤 2.左殼體 3.護種板

2 關鍵部件設計

2.1 排種盤

精簡排種機構，減少排種環節是排種器發展的重要方向之一。為減少排種環節中排種機構對稻種的撞擊、摩擦、擠壓等造成的種子破損，并適應水稻精量穴直播的種植農藝要求，采用具有U型腔道結構特征的排種盤，將型孔充種口與投種口通過U型腔道連接，利用側向充種及種子自重清種的方式，省去傳統機械式排種器的清種裝置；借助腔道的旋轉運動規律，減少攜種區稻種與護種板的接觸弧長，并匯集一穴內的多粒稻種；投種口位于排種盤的側面，實現排種器低位投種，有利于同穴多粒稻種成穴排出。U型腔道結構參數如圖3所示。

圖3 U型腔道結構示意圖Fig.3 Structure diagram of U-shaped cavity

根據圖3中的幾何關系可知

(1)

式中θ——單側腔道所對應的圓心角，(°)

s——U型腔道彎折處圓心與排種盤圓心的距離，mm

r1——U型腔道彎折處外徑，mm

x——U型腔道彎折處圓心與型孔圓弧段圓心所在圓的徑向距離，mm

l——型孔圓弧段圓心所在圓的半徑，mm

h——腔道底部與型孔圓弧段圓心所在圓的徑向距離，定義為腔道深度，mm

整理得

(2)

排種盤軸向截面內，周向腔道數k與其單側對應的圓心角θ、腔道間隔圓心角α有關，即

(3)

直播機田間作業時，排種盤轉速n與直播機前進速度v的關系為

(4)

式中Ls——播種穴距，取140 mm[14-15]

由式(2)、(3)可知，當腔道彎折處外徑r1與腔道間隔圓心角α一定時，增大型孔圓弧段圓心所在圓半徑l，減小腔道深度h，可減小腔道單側對應圓心角θ，從而增大排種盤周向腔道數k。由式(4)可知，當直播機前進速度v和播種穴距Ls一定時，排種盤作業轉速n與周向腔道數k成反比，增大排種盤周向腔道數，可降低其作業轉速，提高型孔的充種效果[19]。因此，增大排種盤直徑，使型孔位置盡量遠離排種盤圓心，并減小腔道深度，可盡量多地分布U型腔道。參考當前排種盤直徑一般在80～260 mm[20]的經驗，本文取排種盤直徑為160 mm，并設計型孔圓弧段圓心所在圓半徑l為74 mm。

2.2 U型腔道

2.2.1U型腔道尺寸

U型腔道式精量穴播排種器與常見機械式排種器的工作原理類似，依靠固定尺寸的型孔從種群中囊取定量的稻種，因此，稻種的外形尺寸是其型孔和腔道設計的重要依據。本文選取水稻直播種植使用范圍較廣的常規稻品種“黃華占”作為排種對象，其含水率(濕基)為11.85%，千粒質量為21.56 g，平均三軸尺寸(長×寬×厚)為9.36 mm×2.17 mm×1.90 mm，長度最大值為10.39 mm。

U型腔道在排種過程中具有攜種和匯聚同穴多粒稻種的作用，可縮短排種環節中護種裝置與稻種的接觸弧長，降低稻種表殼磨損概率。為使稻種在腔道中順暢滾動或滑動，避免卡種阻流現象，在同等對邊距離的前提下，設計腔道橫截面為流通量較大的正方形，且其邊長c滿足

c≥1.1amax=1.1×10.39 =11.43 mm

(5)

式中amax——稻種長度最大值，mm

因此，設計腔道橫截面邊長為11.5 mm。為使腔道在排種盤圓周上更為緊湊，將腔道彎折180°，整體呈“U”形，其彎折處隔板將充種區域與投種區域隔開，避免腔道內稻種在攜種區回流至充種口滑出而導致漏播，并可阻滯低處充入型孔的稻種進入投種區域，防止提前投種現象。根據3D打印快速成型的工藝及強度要求，設計隔板厚為2 mm，故腔道彎折處半徑r2為1 mm，外半徑r1為12.5 mm，如圖3所示。

2.2.2U型腔道數

由式(3)可知，盡量減少腔道間隔寬，有利于分布盡可能多的周向腔道。在確保腔道間隔強度前提下，取相鄰腔道間隔圓心角α為2°。由已知腔道結構參數r1=12.5 mm，l=74 mm和α=2°，根據式(3)，利用Matlab軟件繪制腔道數k與腔道深度h的關系曲線，如圖4所示。在確保腔道深度h大于0的前提下，取腔道數k的較大值，以降低排種盤轉速，故選取腔道數k為18、19和20，研究不同腔道數(即型孔數)對排種性能的影響。

圖4 腔道數k與腔道深度h的關系曲線Fig.4 Relationship curve of cavity number and cavity depth

2.3 型孔

2.3.1型孔形狀

排種器充種區中，貼近排種盤面的稻種是型孔的主要充種對象。稻種外形近似橢球體，由進種管進入充種區的過程中，在重力場作用下，主要以平躺和側臥姿態堆疊在充種區[21]。因此，貼近排種盤面的稻種主要有兩大類狀態：一類是稻種長軸與排種盤面平行，如圖5中狀態1種子；另一類是稻種長軸與排種盤面不平行，如圖5中狀態2和狀態3種子。當排種盤轉動后，貼近排種盤面的稻種一端受到排種盤的持續沖擊或摩擦力FP的作用，稻種另一端受到種群間摩擦阻力Ff的作用，FP與Ff相對稻種質心形成一對力偶。處于狀態2和狀態3的稻種由于力臂較長，易在排種盤的帶動下發生轉動，并在外側種群側壓力的作用下使稻種轉變成狀態1。而狀態1的稻種由于力臂較短，因此，其較難發生轉動，故貼近排種盤面的稻種，其長軸與排種盤運動方向基本一致[22]。為使不同狀態的稻種均能充入型孔，設計型孔為腰圓形，型孔長度軌跡線與排種盤運動方向相切，型孔寬度則可限制同時充入型孔的稻種粒數，以達到一穴所需的排種量，并能適應一定傾斜姿態的稻種充入型孔。為提高型孔的充種性能，在型孔的旋轉前進方向一側增設弧形引種槽，如圖5所示。引種槽不僅對即將充入型孔的稻種起梳導作用，而且對貼近排種盤型孔處的種群具有一定的攪動作用，有利于提高種群流動性[23]。

圖5 稻種與排種盤接觸狀態及稻種受力示意圖Fig.5 Schematic of contact state of seed with seeding plate and force on seed

2.3.2型孔尺寸

由文獻[24]可知，貼近排種盤面的稻種主要在種群側壓力的作用下充入型孔，型孔充填處稻種所受的側向壓應力為

(6)

式中σ——稻種所受的側向壓應力，Pa

γ——物料重度，N/m3

h1——充填稻種至種群表面的距離，m

φ——稻種的內摩擦角，(°)

則充填稻種所受的種群側壓力為

Fs=σS

(7)

式中S——排種軸向稻種截面積，m2

以排種器殼體為相對參考系，稻種充填型孔的過程可分解為型孔運動方向上稻種與型孔的相對運動和排種盤軸向上稻種與型孔的絕對運動，如圖6所示。圖中虛線橢球為待充入型孔的稻種，實線橢球為充入型孔的稻種。

圖6 稻種充入型孔運動示意圖Fig.6 Schematic of movement of seed filling into orifice

假設稻種為均質橢球體，其質心為其幾何中心，并在型孔充填過程中受到恒定的種群側壓力作用。在型孔運動方向上，稻種的相對位移為

(8)

其中

v1=2πnl

(9)

式中v1——稻種相對移動速度，即型孔處的切向線速度，m/s

L——型孔長度，mm

a——稻種長度，mm

t1——稻種的相對運動時間，s

同時，在排種盤軸向上，稻種充入型孔的位移為

(10)

式中t2——稻種充入型孔所需時間，s

b——稻種寬度，mm

m——稻種質量，kg

為確保稻種順利充入型孔，應t2≤t1，整理式(6)～(10)得

(11)

由式(11)可知，稻種充入型孔的極限轉速與型孔長度L、型孔位置l、充種區種群高度h1、稻種物料特性參數(a、b、m、γ、φ)及排種軸向稻種截面積S有關。當型孔位置、排種對象及充種區種群高度確定時，增大型孔長度可提高稻種充填型孔的極限轉速，即有利于稻種順利充填型孔。試驗稻種的平均長度為9.36 mm，故設計型孔長度L應不小于10 mm。

腰圓形型孔的寬度應能同時容納至少3層稻種，以適應常規稻穴直播每穴播種3～8粒的播量要求，則型孔寬度

W>3b=3×2.17=6.51 mm

為探究腰圓形型孔適宜的長度與寬度組合，設計型孔長度為10.0、10.3、10.6 mm 3個水平，型孔寬度設計為7.0、7.3、7.6 mm 3個水平。

2.3.3型孔傾角

為提高貼近型孔處稻種的充種概率，借助待充稻種自身部分重力輔助充種的思路，在型孔沒有引種槽的一側增設傾角，使稻種更順暢地充入型孔，提高型孔的充種性能。對待充稻種進行受力分析，如圖7所示。

圖7 充種過程稻種受力分析圖Fig.7 Force analysis of seed during filling process

型孔入口處稻種在重力G、種群側壓力Fs、型孔壁的支持力F1及摩擦力f1的共同作用下充入型孔，其力學方程式為

(12)

其中

(13)

式中ax——稻種沿型孔傾角方向加速度，m/s2

β——型孔傾角，(°)

μ——腔道材料與稻種摩擦因數，取0.55[25]

φ1——稻種滑動摩擦角，(°)

整理式(12)、(13)得

(14)

由式(14)可知，增大型孔傾角β，ax也隨之增大，即稻種所受充入型孔的合力增大，有利于稻種充入型孔中。為探究適宜的型孔傾角，分別設計傾角為0°、5°、10°。

2.4 投種分析

充入型孔中的稻種在腔道彎折處匯集，隨后與排種盤一起轉動，當腔道側壁轉過水平面，并與水平面夾角大于稻種與排種盤材料的滑動摩擦角時，在重力與離心力的作用下沿腔道側壁向下運動，直至與護種板接觸，并仍隨排種盤一起轉動。此后，對單粒任意姿態稻種進行受力分析，在運動過程中，稻種主要受到自身重力G、離心慣性力Fr、護種板的支持力FN1和摩擦力f2以及腔道的支持力FN2，其受力分析如圖8所示。

圖8 投種過程稻種受力分析圖Fig.8 Force analysis of seed during dropping process

將稻種的受力沿其圓周運動法線方向與切線方向分解為

(15)

其中

(16)

式中Fx——稻種法向合力，N

Fy——稻種切向合力，N

ax1——法向加速度，m/s2

ay1——切向加速度，m/s2

ε1——稻種質心與排種盤圓心的連線與垂直方向夾角，(°)

ε2——腔道側壁與垂直方向夾角，(°)

D——排種盤直徑，m

ω——排種盤旋轉角速度，rad/s

隨著排種盤的轉動，腔道側壁與垂直方向夾角ε2逐漸減小，與稻種接觸一側的腔道側壁對稻種支持力FN2逐漸減弱，當FN2=0時，在排種盤的圓周切線方向上有

f2=mgsinε1

(17)

聯立式(15)～(17)得

(18)

此后，稻種與腔道側壁開始分離，稻種所受護種板的摩擦力逐漸增大，與其反向的重力分力逐漸減小，稻種在護種板上做加速度逐漸增大的減速運動，由于稻種與護種板的接觸姿態各不相同，則其所受摩擦減速程度存在差別，導致多粒稻種運動同步性下降，因此，為提高稻種投種一致性，提升排種器的成穴播種性能，投種角不宜小于ε1。當前水稻穴播機一般的前進速度約為3.6 km/h[15,26]，根據式(4)可知對應排種盤轉速為21.4～23.8 r/min，并將稻種與腔道材料的摩擦因數μ和排種盤直徑D代入式(18)得ε1為27.4°～27.7°。

3 排種性能臺架試驗

利用JPS-12型計算機視覺排種器性能檢測試驗臺，開展排種器室內臺架排種性能試驗，較為準確地考察排種器的多項排種性能，試驗臺通過油帶粘種的方式有效避免了稻種撞擊膠帶后隨機彈跳對排種性能的影響，但粘油后的稻種不能再次排種。為節省試驗稻種，本文首先采用高速攝像儀拍攝和統計排種器投種區每穴排種粒數，考察排種器的漏播率、合格率、重播率及種子破損率，明確排種器較優的結構參數組合，然后利用JPS-12型計算機視覺排種器性能檢測試驗臺，考察排種器的排種成穴性與穴距均勻性，明確排種器適宜的投種角。

3.1 試驗材料與設備

試驗稻種為常規稻品種“黃華占”，對稻種進行人工除雜后排種。試驗裝置如圖9所示。

圖9 排種器排種性能試驗裝置Fig.9 Test of seeding performances experiment1.排種器 2.步進電機調速器 3.高速攝像儀 4.顯示屏 5.排種器試驗臺綜合操作柜 6.JPS-12型計算機視覺排種器性能檢測試驗臺

3.2 評價指標

參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，各評價指標的計算公式為

(19)

式中M——漏播率，%

Q——合格率，%

R——重播率，%，其中包含每穴9～10粒率和每穴大于等于11粒率

nM——一穴小于3粒稻種的總穴數

nQ——一穴3～8粒稻種的總穴數

nR——一穴大于8粒稻種的總穴數

N——每組試驗統計的總穴數

B——種子破損率，%

M1——排種器1 min排出的稻種質量，kg

mB——所排出稻種中破損稻種的質量，kg

CV——穴距變異系數，%

N′——樣本穴距總數

高速攝像試驗時，每組試驗連續拍攝并統計排種器穩定排種時從投種區排出的250穴稻種；臺架排種試驗時，每組試驗連續統計排種器穩定排種時油帶上粘附的250穴稻種的穴徑和穴距。穴徑為一穴內兩粒相距最遠稻種的直線距離，以小于等于50 mm的穴徑為合格[12-13]，每組試驗重復3次，取平均值。

3.3 試驗設計與結果分析

3.3.1高速攝像試驗

根據前文理論分析，確定影響排種器排種性能的主要因素為型孔長度、型孔寬度、型孔傾角和型孔數。以上述4個主要影響因素為試驗因素，以漏播率、合格率、重播率、稻種破損率為試驗指標，采用四因素三水平正交試驗設計方法，開展排種高速攝像試驗。試驗時，根據式(4)和型孔數設置成穴播機一般前進速度3.6 km/h對應的排種盤轉速為21.4、22.6、23.8 r/min。試驗因素及水平如表1所示，正交試驗方案及試驗結果如表2所示，表中A、B、C、D為對應因素水平值。對正交試驗結果進行極差分析，結果見表3。

表1 試驗因素水平Tab.1 Factors and levels of experiment

表2 試驗方案與結果Tab.2 Design and results of experiment

由表3可知，不同性能評價指標對應的主次影響因素差別明顯，影響漏播率的主次因素依次為：型孔傾角、型孔寬度、型孔長度、型孔數；影響合格率的主次因素依次為：型孔數、型孔寬度、型孔傾角、型孔長度；影響重播率的主次因素依次為：型孔數、型孔傾角、型孔寬度、型孔長度。為確保水稻精量穴直播的出苗率，一般田間播種作業遵循“寧重勿漏”原則，即在滿足合格率的前提下盡量降低漏播率對生產實際更為有利。因此，為獲得適宜的型孔參數組合，應側重綜合考慮上述參數對合格率和漏播率的影響。合格率的型孔數D極差(13.20)相比其余參數的極差項明顯較大，且漏播率的型孔數D極差(0.80)最小，說明型孔數對合格率的影響較大，對漏播率的影響較小，因此，排種盤的型孔數D應取D3(20個)；由于漏播率的型孔長寬及傾角的各項極差對應合格率的各自極差項均偏小，若較優組合取C3B3A3D3，對比表2中3號(C3B3A1D3)試驗結果可知，在3號試驗參數組合的基礎上，型孔長度A再取高水平，即增大型孔長度，將無助于合格率的大幅提升，反而會提高重播率，進一步增大每穴大于等于11粒稻種的過度重播概率，從而降低合格率。

表3 極差分析結果Tab.3 Results of range analysis

此外，極差分析結果中合格率較優組合為D3B2C1A1，對比表2中8號(D3B2C1A3)試驗結果可知，在8號試驗參數組合的基礎上，型孔長度A再取低水平，即減小型孔長度，可能會進一步增大漏播率，甚至降低合格率，不符合水稻直播種植的生產實際需求；鑒于8號試驗結果更為符合水稻直播“寧重勿漏”的播種原則，且合格率較高，綜合上述分析，型孔參數較優組合可能是在8號(D3B2C1A3)試驗參數組合的基礎上略微增大型孔的寬度或傾角水平，即較優參數組合可能為D3B3C1A3或D3B2C2A3，以期進一步降低漏播率，并提升合格率。

為驗證上述分析的合理性，優選出較優的型孔參數組合，開展型孔參數組合D3B3C1A3、D3B2C2A3及極差分析結果中合格率較優組合D3B2C1A1的排種性能對比試驗，試驗結果如表4所示。

表4 不同型孔參數組合試驗結果Tab.4 Experiment results of different hole parameter combinations %

由表4可知，雖然3組不同型孔參數組合的排種合格率均在90%以上，但漏播率和重播率差異明顯。采用極差分析結果中型孔參數較優組合D3B2C1A1排種時，相比表2中8號(D3B2C1A3)試驗結果，漏播率增大，合格率降低；而采用型孔參數組合D3B3C1A3和D3B2C2A3排種時，相比8號試驗結果，漏播率均明顯降低，合格率均有提升，這與正交試驗分析結果相吻合，其中，在8號試驗參數組合的基礎上，略微增大型孔寬度(D3B3C1A3)相比略微增大型孔傾角(D3B2C2A3)，具有更低的漏播率、更高的合格率及較低的重播率，其原因可能為：型孔寬度增大，便于多粒稻種同時充入型孔，從而更為有效地降低漏播率，且型孔傾角為零，便于多充入型孔的稻種在攜種區初始弧段清出型孔，提升合格率，降低重播率。此外，稻種在3組不同型孔參數組合下的破損率均不高于0.13%，表明排種方式較為合理，基本不損傷種子。因此，排種器適宜的型孔參數組合為D3B3C1A3，即型孔數為20，型孔長度為10.6 mm，型孔寬度為7.6 mm，型孔傾角為0°。此時，排種器的漏播率為0.40%，合格率為94.00%，重播率為5.60%，其中每穴9～10粒率為4.93%，每穴大于等于11粒率為0.67%，種子破損率為0.13%，滿足常規稻精量穴直播對穴粒數的播量要求。

3.3.2排種試驗

為考察排種器排種成穴性與穴距均勻性，尋求排種器適宜的投種角，采用型孔參數組合為D3B3C1A3的排種盤，利用JPS-12型計算機視覺排種器性能檢測試驗臺，以穴徑平均值、穴徑合格率、穴距平均值及穴距變異系數為評價指標，開展排種器投種角對排種均勻性影響的單因素試驗研究。根據前文的投種分析，選取投種角為18°、23°、28°、33°、38°共5個水平，每組試驗重復3次，取平均值，試驗結果及方差分析結果如表5所示。

表5 臺架排種試驗結果Tab.5 Results of bench experiment

由表5可知，不同投種角下，排種器穴播效果相近，穴徑平均值不高于30.18 mm，穴徑合格率不低于94.13%，穴距平均值均十分接近理論穴距140 mm，穴距變異系數不高于9.53%，均能滿足常規稻穴直播種植的定距成穴排種要求。但投種角對穴徑平均值和穴徑合格率影響均極顯著，對穴距變異系數影響顯著，表明U型腔道式穴播排種器的投種角度影響其穴播效果，且其穴播性能存在一定的變化趨勢，即隨著投種角的增大，其穴徑平均值和穴距變異系數均先減小后增大，穴徑合格率先增大后減小。分析原因可能為：當投種角過低時，稻種投種前所受護種板的摩擦力增大，使一穴多粒稻種運動同步性變差的概率增大，投種時一致性降低，如圖10a所示，導致排種成穴性與穴距均勻性偏差，這與前文的投種分析相吻合。當投種角增大至28°～33°時，排種成穴性與穴距均勻性均較好，投種前，稻種在護種板與腔道側壁鄰近處有適宜的集聚時間，使得一穴多粒稻種均與腔道側壁同步旋轉，投種時一致性較高，如圖10b所示。隨著投種角的繼續增大，稻種在護種板與腔道側壁鄰近處的集聚時間過于短暫，存在一穴多粒稻種未能全部達到隨腔道側壁同步旋轉的狀態，投種時一穴稻種個體間差異增大而易分散，如圖10c所示，導致排種成穴性與穴距均勻性變差。

圖10 排種器不同投種角的排種瞬間圖像Fig.10 Seeding moments at different seeding angles of seed-metering device

綜上，適宜的投種角可提升U型腔道式穴播排種器播種常規稻的成穴性與穴距均勻性，其適宜的投種角為28°～33°。此時，排種器的穴徑平均值不高于27.14 mm，穴徑合格率不低于96.67%，穴距平均值在理論穴距140 mm左右，穴距變異系數不大于7.80%，其油帶上的排種效果如圖11所示。

圖11 油帶上排種效果Fig.11 Seed distributions on oil belt

4 田間試驗

為檢驗U型腔道式水稻精量穴播排種器的田間播種性能，于2020年6月1日在安徽農業大學農萃園開展田間播種試驗。試驗前，使用旋耕機對田塊進行適度耕整，使土壤達到水稻旱直播的種植要求，土壤堅實度為397.4 kPa，含水率為7.35%。將排種器安裝于旱直播機上，采用24 V直流步進電機驅動排種器轉動，通過調速器設置排種器的轉速，使其與室內臺架排種試驗轉速一致，試驗稻種為“黃華占”。試驗時，機具前進速度約為3.6 km/h，連續統計10 m取樣長度內每穴稻種的粒數、穴徑和穴距，重復5次試驗。試驗測得排種器的田間播種合格率為90.28%、漏播率為0.83%、重播率為8.89%，其中每穴9～10粒率為7.22%，每穴大于等于11粒率為1.67%，穴徑平均值為46.71 mm，穴徑合格率為71.67%，穴距平均值為137.21 mm，穴距變異系數為12.64%，各項評價指標均滿足常規稻大田精量旱穴直播的種植要求。

相比臺架試驗結果，排種器田間播種時合格率稍低，重播率稍高，穴徑平均值偏大，穴徑合格率偏低，穴距變異系數偏高，其原因可能為：機組田間無規律振動，使充種區稻種處于隨機激振狀態，稻種間間隙增大而內摩擦力降低，使得流動性差的稻種易充入型孔，故重播率增大，合格率降低，但每穴大于等于11粒率低于2%，符合常規稻精量穴直播的適度重播原則；而機組振動使得一穴稻種投種一致性降低，落種軌跡差異性增大，且稻種落入種床時，與土壤存在隨機碰撞彈跳，使得播種成穴性與穴距均勻性降低。

5 結論

(1)基于常規稻精量穴直播種植要求及稻種的物理機械特性，設計了一種以充種口與投種口分開但相通的U型腔道式排種盤為主體的精量穴播排種器，可實現常規稻穴直播的精量定距成穴排種。

(2)高速攝像試驗表明，影響排種器漏播率、合格率及重播率的主次因素各不相同，適宜常規稻大田精量穴直播的型孔參數組合為型孔長度10.6 mm、型孔寬度7.6 mm、型孔傾角0°、型孔數20，對應排種器的漏播率為0.40%，合格率為94.00%，重播率為5.60%，種子破損率為0.13%。臺架試驗表明，投種角對排種器的穴徑平均值和穴徑合格率影響極顯著，對穴距變異系數影響顯著。排種器適宜的投種角為28°～33°，對應排種器的穴徑平均值不高于27.14 mm，穴徑合格率不低于96.67%，穴距平均值在理論穴距140 mm左右，穴距變異系數不大于7.80%。

(3)田間試驗表明，U型腔道式水稻精量穴播排種器滿足常規稻大田精量旱穴直播的種植要求，其播種合格率為90.28%、漏播率為0.83%、重播率為8.89%，其中每穴9～10粒率占7.22%，每穴大于等于11粒率占1.67%，穴徑平均值為46.71 mm，穴徑合格率為71.67%，穴距平均值為137.21 mm，穴距變異系數為12.64%。

(4)所設計的U型腔道式排種盤利用腔道的旋轉運動規律輔助排種器攜種，縮短了種子與護種裝置的接觸弧長，從而有效降低了種子損傷，且排種器結合側充種方式與自重清種方法，省去了清種機構，簡化了排種裝置，為機械式排種器低損傷與輕簡化設計提供了新思路。